Cancer@Home v2 - Architecture Diagram
System Architecture
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ WEB BROWSER │
│ http://localhost:5000 │
└────────────────────────────┬────────────────────────────────────────────┘
│
│ HTTP/WebSocket
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ FRONTEND (HTML5/CSS3/JS) │
│ ┌──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────────────────┐ │
│ │Dashboard │ Neo4j │ BOINC │ GDC │ Pipeline │ │
│ │ View │ Viz │ Tasks │ Data │ Tools │ │
│ └──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────────────────┘ │
│ │
│ Technologies: D3.js, Chart.js, Vanilla JavaScript │
└────────────────────────────┬────────────────────────────────────────────┘
│
│ REST API + GraphQL
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ BACKEND (FastAPI + Python) │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ API Layer │ │
│ │ • REST Endpoints (/api/*) │ │
│ │ • GraphQL Endpoint (/graphql) │ │
│ │ • WebSocket Support │ │
│ │ • Swagger Documentation (/docs) │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ │ Python Modules │
│ ▼ │
│ ┌──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬─────────────────────┐ │
│ │ BOINC │ GDC │ Neo4j │ Pipeline │ Utilities │ │
│ │ Client │ Client │ DB │ Tools │ │ │
│ └──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴─────────────────────┘ │
└───────┬──────────┬──────────┬──────────┬────────────────────────────────┘
│ │ │ │
│ │ │ │
▼ ▼ ▼ ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ DATA & SERVICES LAYER │
│ │
│ ┌────────────────────┐ ┌────────────────────┐ ┌──────────────────┐ │
│ │ Neo4j Graph │ │ BOINC Server │ │ GDC Portal │ │
│ │ Database │ │ (Distributed) │ │ (External) │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ Port: 7687 (Bolt) │ │ Local/Remote │ │ api.gdc.cancer │
│ │ 7474 (HTTP) │ │ Task Processing │ │ .gov │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ • Genes │ │ • Variant Calling │ │ • TCGA Data │ │
│ │ • Mutations │ │ • BLAST Search │ │ • TARGET Data │ │
│ │ • Patients │ │ • Alignment │ │ • Clinical Data │ │
│ │ • Cancer Types │ │ • Annotation │ │ • Genomic Files │ │
│ └────────────────────┘ └────────────────────┘ └──────────────────┘ │
│ │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Bioinformatics Tools (Local) ││
│ │ ││
│ │ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────────────┐ ││
│ │ │ FASTQ │ │ BLAST │ │ Variant Caller │ ││
│ │ │ Processor │ │ Runner │ │ │ ││
│ │ │ │ │ │ │ │ ││
│ │ │ • QC │ │ • BLASTN │ │ • VCF Generation │ ││
│ │ │ • Filtering │ │ • BLASTP │ │ • Annotation │ ││
│ │ │ • Trimming │ │ • Parsing │ │ • TMB Calculation │ ││
│ │ └──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────────────┘ ││
│ └────────────────────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ FILE STORAGE │
│ │
│ data/ │
│ ├── gdc/ # Downloaded GDC files │
│ ├── boinc/ # BOINC task data │
│ ├── processed/ # Analysis results │
│ │ ├── fastq/ │
│ │ ├── blast/ │
│ │ └── variants/ │
│ └── cache/ # Temporary files │
│ │
│ logs/ # Application logs │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Data Flow Diagram
┌──────────────┐
│ User │
│ Browser │
└──────┬───────┘
│ 1. Request
▼
┌──────────────────────────────────┐
│ Dashboard │
│ (View Gene/Mutation Data) │
└──────┬───────────────────────────┘
│ 2. GraphQL Query
▼
┌──────────────────────────────────┐
│ FastAPI Backend │
│ - Parse Query │
│ - Validate Request │
└──────┬───────────────────────────┘
│ 3. Cypher Query
▼
┌──────────────────────────────────┐
│ Neo4j Database │
│ - Execute Graph Query │
│ - Traverse Relationships │
│ - Aggregate Results │
└──────┬───────────────────────────┘
│ 4. Graph Data
▼
┌──────────────────────────────────┐
│ GraphQL Resolver │
│ - Transform Data │
│ - Format Response │
└──────┬───────────────────────────┘
│ 5. JSON Response
▼
┌──────────────────────────────────┐
│ Frontend Visualization │
│ - Render Graph │
│ - Display Charts │
│ - Show Statistics │
└──────────────────────────────────┘
BOINC Task Processing Flow
┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐
│ Submit │ │ Queue │ │ Execute │
│ Task │─────▶│ Task │─────▶│ Analysis │
│ │ │ │ │ │
└──────────────┘ └──────────────┘ └──────┬───────┘
│
▼
┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐
│ Store │ │ Import to │ │ Generate │
│ Results │◀─────│ Neo4j │◀─────│ Results │
│ │ │ │ │ │
└──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────┘
Neo4j Graph Schema
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Neo4j Graph Model │
│ │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ Gene │ │ Mutation │ │
│ ├──────────┤ ├──────────┤ │
│ │ gene_id │◀───────AFFECTS─────│mut_id │ │
│ │ symbol │ │ chr │ │
│ │ name │ │ position │ │
│ │ chr │ │ ref │ │
│ └──────────┘ │ alt │ │
│ └────▲─────┘ │
│ │ │
│ │ HAS_MUTATION │
│ │ │
│ ┌──────────┐ ┌────┴─────┐ │
│ │ Cancer │ │ Patient │ │
│ │ Type │ ├──────────┤ │
│ ├──────────┤ │patient_id│ │
│ │cancer_id │ │ age │ │
│ │ name │◀──DIAGNOSED_WITH───│ gender │ │
│ │ tissue │ │ race │ │
│ └──────────┘ │ status │ │
│ └──────────┘ │
│ │
│ Relationships: │
│ • Gene ← AFFECTS ← Mutation │
│ • Patient → HAS_MUTATION → Mutation │
│ • Patient → DIAGNOSED_WITH → CancerType │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Technology Stack
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Technology Layers │
│ │
│ Frontend: │
│ • HTML5, CSS3, JavaScript (ES6+) │
│ • D3.js (Graph Visualization) │
│ • Chart.js (Charts & Analytics) │
│ • Responsive Design │
│ │
│ Backend: │
│ • Python 3.8+ │
│ • FastAPI (Web Framework) │
│ • Uvicorn (ASGI Server) │
│ • Strawberry (GraphQL) │
│ │
│ Database: │
│ • Neo4j 5.13 (Graph Database) │
│ • Bolt Protocol │
│ • APOC & GDS Plugins │
│ │
│ Data Processing: │
│ • Biopython (Sequence Analysis) │
│ • NumPy & Pandas (Data Manipulation) │
│ • BLAST+ (Sequence Alignment) │
│ │
│ Infrastructure: │
│ • Docker & Docker Compose │
│ • YAML Configuration │
│ • Python Virtual Environments │
│ │
│ External APIs: │
│ • GDC Portal API (Cancer Data) │
│ • BOINC RPC (Distributed Computing) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Deployment Architecture
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Local Development │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Host Machine │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────┐ ┌──────────────────────┐ │ │
│ │ │ Python venv │ │ Docker Desktop │ │ │
│ │ │ Port 5000 │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ┌────────────────┐ │ │ │
│ │ │ • FastAPI │ │ │ Neo4j │ │ │ │
│ │ │ • Backend API │◀───────▶│ │ Port 7474 │ │ │ │
│ │ │ • GraphQL │ │ │ Port 7687 │ │ │ │
│ │ │ • WebSocket │ │ └────────────────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ └─────────────────┘ └──────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ Access URLs: │
│ • http://localhost:5000 - Main Application │
│ • http://localhost:5000/docs - API Documentation │
│ • http://localhost:5000/graphql - GraphQL Playground │
│ • http://localhost:7474 - Neo4j Browser │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
